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磁阻傳感器 霍爾傳感器：【雷賽智能 ｜ 頭條】磁阻傳感器與霍爾傳感器有什么區(qū)別？

原標(biāo)題：【雷賽智能 | 頭條】磁阻傳感器與霍爾傳感器有什么區(qū)別？

以上為廣告

前段時(shí)間，有朋友留言，讓我講講磁柵編碼器的工作原理。

其實(shí)，我之前也沒用過。

不過最近，我查詢了一些資料，發(fā)現(xiàn)確實(shí)有一些應(yīng)用中用到磁編碼器。

比如，對于長行程（1米）的直線運(yùn)動系統(tǒng)的位置檢測，再比如對于空間有限的旋轉(zhuǎn)直驅(qū)電機(jī) 運(yùn)動檢測。

當(dāng)然，我也順便把磁編碼器的工作原理弄清楚了。

本來我打算這篇日記就來分享一下它的工作原理，但是我發(fā)現(xiàn)，要全部講清楚，恐怕又是一篇長文，可讀性下降。

所以今天，我先分享一下傳感器部分，后續(xù)再補(bǔ)充一篇，說明整體工作原理。

磁柵編碼器或者磁旋轉(zhuǎn)編碼器上，采用的傳感器，一般為霍爾傳感器或者磁阻傳感器。

磁阻傳感器用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 檢測示意圖。

磁阻傳感器用于直線運(yùn)動檢測示意圖。

磁阻傳感器用于電機(jī)角度反饋。

4分辨率磁阻傳感器檢測位置應(yīng)用，圖片來自murata。

磁阻傳感器檢測位置應(yīng)用，圖片來自murata。

磁柵編碼器和磁旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖，來自BOGEN。

幾種磁阻傳感器用于檢測三維運(yùn)動，角度運(yùn)動，直線運(yùn)動。

磁阻傳感器用于電機(jī)軸，檢測旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

磁阻傳感器用于讀取磁盤信息。

磁傳感器工作示意圖。

關(guān)于 霍爾傳感器 的原理，之前有一篇文章專門講過，這里僅僅回顧一下。

霍爾傳感器的原理：在垂直于霍爾元件的外部磁場作用下，電子在會向霍爾元件一側(cè)移動，造成兩側(cè)電勢差，形成霍爾電壓。

霍爾傳感器的原理動畫展示。

那么，什么又是磁阻傳感器呢？它是怎么工作的？

01

磁阻傳感器的分類

首先，這里的磁阻，和之前講過的 磁阻電機(jī) 中的磁阻可不是一回事。

磁阻電機(jī)中的磁阻（Reluctance），是阻礙磁路中磁通量的產(chǎn)生。

而此處的磁阻（Magnetoresistance），是材料的電阻會隨著外部磁環(huán)境的變化而變化的現(xiàn)象。

當(dāng)然并不是所有材料都有這個(gè)能力。

目前主要應(yīng)用的有三種磁阻元件。

分別為AMR，GMR，TMR元件。

AMR＝Anisotropic Magnetoresistance Effect，即各向異性磁阻效應(yīng)。

GMR＝Giant Magnetoresistance Effect，即巨磁阻效應(yīng)。

TMR＝Tunnel Magnetoresistance Effect，即穿隧磁阻效應(yīng)

AMR，GMR，TMR結(jié)構(gòu)示意圖：AMR僅由自由層（Free Layer）薄膜構(gòu)成，GMR和TMR由自由層薄膜和固定層（Pinned Layer）薄膜及其他相關(guān)薄膜構(gòu)成。自由層可以被磁化，磁化方向和外磁場方向相關(guān)，固定層的磁化方向被固定，不隨外部磁場變化而變化，圖片來自hprobe。

磁化過程示意圖。

AMR，GMR，TMR原理示意圖：AMR當(dāng)磁化方向和電流方向平行時(shí)，電阻最大，電流最小（圖中用棕色箭頭大小表示電流大小）；當(dāng)磁化方向和電流垂直時(shí)，電阻最小，電流最大。GMR和TMR當(dāng)磁化方向和固定層磁化方向相反時(shí)，電阻最大，電流最小；當(dāng)磁化方向和固定層磁化方向相同時(shí)，電阻最小，電流最大。圖中可見，GMR和TMR最明顯的區(qū)別在于通電電流方向不同，GMR電流平行于薄膜，而TMR電流則垂直于薄膜。圖片來自AKM。

AMR電阻隨外磁場和電流夾角的變化情況。

AMR由一層可以被外部磁場磁化的鐵磁薄膜構(gòu)成，外部磁場和通電電流形成一個(gè)夾角，當(dāng)磁場角度變化，這個(gè)夾角改變，電阻也隨之改變，如果傳感器通入的電壓一定，將會產(chǎn)生變化的電流信號。

AMR傳感器工作原理。施加磁場后，磁阻元件R1、R4的電阻值將下降，且中點(diǎn)A和中點(diǎn)B之間的電位將產(chǎn)生差異。當(dāng)電位差超過規(guī)定的設(shè)置值（閾值）時(shí)，將切換傳感器的ON/OFF輸出。圖片來自murata。

GMR主要由自由層和固定層薄膜及導(dǎo)體夾層構(gòu)成，電流方向平行于薄膜方向。

關(guān)于GMR，值得一提的是，巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者Albert Fert和Peter Grunberg在2007 年，獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

GMR巨磁阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)者A. Fert和P. Grunberg于2007年獲諾貝爾物理學(xué)獎。

TMR和GMR結(jié)構(gòu)類似，主要由自由層和固定層薄膜及中間隧道障礙夾層構(gòu)成。

02

磁阻傳感器的原理

TMR磁性結(jié)構(gòu)與GMR基本相同，都是多層薄膜元件，但GMR元件的電流平行于膜面流過，而TMR元件的電流垂直于膜面流過。

磁阻元件的發(fā)現(xiàn)進(jìn)程和磁阻效應(yīng)強(qiáng)弱分別為AMR，GMR及TMR，可以用下面這張圖表示。

AMR，GMR，TMR的發(fā)展歷史及磁阻效應(yīng)強(qiáng)弱，由圖可見TMR磁阻效應(yīng)最大，其次是GMR，磁阻效應(yīng)最小的是AMR，大磁阻效應(yīng)意味著可以檢測更廣泛更微弱的磁變化。

TMR電阻隨外磁場方向的變化情況，上圖可以看到電阻隨外磁場旋轉(zhuǎn)角度變化而變化的曲線。下左圖中，當(dāng)自由層與固定層的磁化方向?yàn)榉聪蚱叫袝r(shí)，電阻變大（對應(yīng)上圖的180度），只流過微弱的電流。右下圖中：當(dāng)自由層與固定層的磁化方向平行時(shí)，電阻變小（對應(yīng)上圖的0度或者360度），流過大電流。此圖說明TMR磁阻元件可當(dāng)作角度傳感器。

這張圖和上圖是一個(gè)意思，我保存一下，圖片來自TDK。

GMR／TMR電阻隨平移磁場變化示意圖，電阻達(dá)到閥值時(shí)，可以視為開關(guān)信號，來自alpsalpine。

GMR／TMR電阻隨旋轉(zhuǎn)磁場變化示意圖，電阻達(dá)到閥值時(shí)，可以視為開關(guān)信號，來自alpsalpine。

MR傳感器狀態(tài)變化示意圖，來自alpsalpine。

03

三種磁阻元件之間的區(qū)別

三種磁阻元件的不同之處，可以用2張圖來表示。

三種元件在相同磁場作用下，電阻的變化率對比。TMR變化最大，所以也最敏感（原因是結(jié)構(gòu)不同）。

AMR，GMR，TMR對比：TMR電阻變化率最大，所以也最敏感，同時(shí)受溫度的影響最小，適用性最高，圖片來自TDK。

結(jié)構(gòu)方面，AMR最簡單，由單層薄膜組成，GMR和TMR相似，都是多層薄膜組成。

電流方面，AMR和GMR電流方向平行于薄膜方向，唯有TMR垂直于薄膜方向。

當(dāng)然，從結(jié)果來看，TMR對磁變化最為敏感，所以它可以用于檢測更小的磁變化，且可以多方向檢測，同時(shí)它受溫度的影響較小，測量誤差更小。

04

磁阻傳感器與霍爾傳感器的區(qū)別

以上，我們了解了3種基本的磁阻元件結(jié)構(gòu)，及原理，以及它們之間的靈敏度區(qū)別。

那么磁阻傳感器和霍爾傳感器有什么區(qū)別呢？

首先，檢測磁場方向不同，霍爾傳感器檢測垂直于霍爾元件的磁場，而磁阻傳感器檢測平行于磁阻元件的磁場。

磁阻傳感器和霍爾傳感器檢測方向?qū)Ρ取?/p>

磁阻傳感器和霍爾傳感器檢測方向?qū)Ρ取?/p>

其次，磁阻傳感器更加敏感，所以可以檢測多個(gè)方向的運(yùn)動。

磁阻傳感器用于檢測各個(gè)方向的運(yùn)動。

磁阻傳感器檢測運(yùn)動方向示意圖，圖片來自murata。

當(dāng)然，磁阻傳感器可以做得更小，在有限的空間中放置兩個(gè)檢測頭。

雙磁阻檢測元件示意圖。

當(dāng)然還有其他一些不同之處，比如熱穩(wěn)定性，功耗等總結(jié)在下表中。

霍爾傳感器VS TMR傳感器。

以上特點(diǎn)決定了大部分的編碼器都用磁阻傳感器。

上圖為廣告

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磁阻傳感器 霍爾傳感器：磁阻傳感器和霍爾傳感器在工作原理和使用方法方面各有什么特點(diǎn)

　　磁阻傳感器是磁通量改變會造成元件電阻變化。磁阻傳感器能制作在硅片上，并形成產(chǎn)品。其靈敏度和線性度已經(jīng)能滿足磁羅盤的要求，各方面的性能明顯優(yōu)于霍爾器件。
　　霍爾效應(yīng)：把通有電流i的導(dǎo)體放在垂直于它的磁場中，則在導(dǎo)體的兩側(cè)p1、p2會產(chǎn)生一電勢差uh，它與電流i及磁感應(yīng)強(qiáng)度b成正比，與導(dǎo)體厚度d成反比。
　　磁場中有一個(gè)霍爾半導(dǎo)體片，恒定電流I從A到B通過該片。在洛侖茲力的作用下，I的電子流在通過霍爾半導(dǎo)體時(shí)向一側(cè)偏移，使該片在CD方向上產(chǎn)生電位差，這就是所謂的霍爾電壓。
　　
　　霍爾電壓隨磁場強(qiáng)度的變化而變化，磁場越強(qiáng)，電壓越高，磁場越弱，電壓越低，霍爾電壓值很小，通常只有幾個(gè)毫伏，但經(jīng)集成電路中的放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強(qiáng)的信號。若使霍爾集成電路起傳感作用，需要用機(jī)械的方法來改變磁場強(qiáng)度。下圖所示的方法是用一個(gè)轉(zhuǎn)動的葉輪作為控制磁通量的開關(guān)，當(dāng)葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時(shí)，磁場偏離集成片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路的輸出電壓的變化，就能表示出葉輪驅(qū)動軸的某一位置，利用這一工作原理，可將霍爾集成電路片用作用點(diǎn)火正時(shí)傳感器。霍爾效應(yīng)傳感器屬于被動型傳感器，它要有外加電源才能工作，這一特點(diǎn)使它能檢測轉(zhuǎn)速低的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

磁阻傳感器 霍爾傳感器：磁阻傳感器和霍爾傳感器的區(qū)別

磁阻傳感器和霍爾傳感器的區(qū)別
霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器
霍爾傳感器特點(diǎn)：
1、 霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬態(tài)峰值的測量。副邊電流忠實(shí)地反應(yīng)原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比擬的，它一般只適用于測量50Hz正弦波。
2、 原邊電路與副邊電路之間完全電絕緣，絕緣電壓一般為2KV至12KV，特殊要求可達(dá)20KV至50KV。
3、 精度高：在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的測量。而普通互感器一般精度為3%至5%且適合50Hz正弦波形。
4、 線性度好：優(yōu)于0.1%
5、 動態(tài)性能好：響應(yīng)時(shí)間小于１s跟蹤速度di/dt高于50A/s
6、 霍爾傳感器模塊這種優(yōu)異的動態(tài)性能為提高現(xiàn)代控制系統(tǒng)的性能提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)。與此相比普通的互感器響應(yīng)時(shí)間為10-12ms，它已不能適應(yīng)工作控制系統(tǒng)發(fā)展的需要。
7、 工作頻帶寬：在0-100kHz頻率范圍內(nèi)精度為１％。在０－５kHz頻率范圍內(nèi)精度為0.5%。
8、 測量范圍：霍爾傳感器模塊為系統(tǒng)產(chǎn)品，電流測量可達(dá)50KA，電壓測量可達(dá)6400V。
9、 過載能力強(qiáng)：當(dāng)原邊電流超負(fù)荷，模塊達(dá)到飽和，可自動保護(hù)，即使過載電流是額定值的２０倍時(shí)，模塊也不會損壞。
10、 模塊尺寸小，重量輕，易于安裝，它在系統(tǒng)中不會帶來任何損失。
11、 模塊的初級與次級之間的電容是很弱的，在很多應(yīng)用中，共模電壓的各種影響通常可以忽略，當(dāng)達(dá)到幾千伏/s的高壓變化時(shí)，模塊有自身屏蔽作用。
12、 模塊的高靈敏度，使之能夠區(qū)分在高分量上的弱信號，例如：在幾百安的直流分量上區(qū)分出幾毫安的交流分量。
13、 可靠性高：失效率：=0.43╳10-6/小時(shí)
14、 抗外磁場干擾能力強(qiáng)：在距模塊5-10cm處有一個(gè)兩倍于工作電流(2Ip)的電流所產(chǎn)生的磁場干擾而引起的誤差小于0.5%，這對大多數(shù)應(yīng)用，抗外磁場干擾是足夠的，但對很強(qiáng)磁場的干擾要采取適當(dāng)?shù)拇胧?br/>磁阻傳感器是基于磁阻效應(yīng)工作原理，其核心部分采用一片特殊金屬材料，其電阻值隨外界磁場的變化而變化，通過外界磁場的變化來測量物體的變化或狀況。磁阻傳感器具有高精度、高靈敏度、高分辨率、良好穩(wěn)定性和可靠性、無接觸測量及寬溫度范圍的特點(diǎn)，可進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)測量。廣泛應(yīng)用于低磁場測量，角度和位置測量。
磁阻傳感器特點(diǎn)：
1. 靈敏度高,輸出信號幅值大,并與旋轉(zhuǎn)速度的大小無關(guān)
2. 體積小,結(jié)構(gòu)簡單,金屬盒封裝,耐油污粉塵
3. 頻率特性優(yōu)良,能檢測靜止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)速
4. 內(nèi)偏置磁鋼
5. 抗電磁干擾能力強(qiáng)
轉(zhuǎn)載請注明來源：中國測控網(wǎng)（

磁阻傳感器 霍爾傳感器：霍爾的磁阻傳感器工作原理

干簧管和電阻串聯(lián)連接形成一組電路，多組電路與信號發(fā)生器并聯(lián)連接。當(dāng)磁鐵隨著測量介質(zhì)的變化而移動時(shí)，吸簧管接通電阻，信號發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的電信號！（連接到干簧管的每個(gè)電阻值不同，導(dǎo)致不同的電信號。）一般用作液位測量！
霍爾傳感器工作原理
在磁場中存在霍爾半導(dǎo)體芯片，恒定電流I通過該芯片從A傳遞到B.在洛倫茲力的作用下，當(dāng)電子流通過霍爾半導(dǎo)體時(shí)，I的電子流向一側(cè)移動，使片材在CD方向上產(chǎn)生電位差，這就是所謂的霍爾電壓。
霍爾電壓隨磁場強(qiáng)度的變化而變化。磁場越強(qiáng)，電壓越高，磁場越弱，電壓越低。霍爾的電壓值很小，通常只有幾毫伏。然而，在集成電路中，放大器的放大可以將電壓放大到足以輸出強(qiáng)信號的程度。如果霍爾集成電路可以作為傳感器，則需要采用機(jī)械方法來改變磁場強(qiáng)度。下圖所示的方法是使用旋轉(zhuǎn)葉輪作為開關(guān)來控制磁通量。當(dāng)葉輪葉片處于磁體與霍爾集成電路之間的氣隙時(shí)，磁場偏離集成芯片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路輸出電壓的變化可以指示葉輪驅(qū)動軸的某一位置。利用此工作原理，霍爾集成電路芯片可作為點(diǎn)火正時(shí)傳感器。霍爾“效應(yīng)傳感器屬于被動傳感器。它需要額外的電源才能工作。此功能使其能夠檢測低速運(yùn)行。
霍爾傳感器特點(diǎn)：
霍爾傳感器可以測量任何波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至可以測量暫態(tài)峰值。側(cè)電流忠實(shí)地反映了原側(cè)電流的波形。普通變壓器是無可比擬的，一般只適合測量50hz正弦波。
2。原側(cè)電路和二次側(cè)電路完全電氣絕緣，絕緣電壓一般為2KV~12kV，特殊要求可達(dá)20kV~50KV。
高精度：在工作溫度范圍內(nèi)精度優(yōu)于1%，適用于任意波形的測量。普通變壓器的總精度為3%~5%，適用于50 Hz正弦波。
4，線性度好：優(yōu)于0.1％
5。動態(tài)性能好：響應(yīng)時(shí)間小于1s，跟蹤速度di/dt大于50a/s
霍爾傳感器模塊的這種優(yōu)異的動態(tài)性能為提高現(xiàn)代控制系統(tǒng)的性能提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)。與此相比，普通變壓器的響應(yīng)時(shí)間為10-12ms，無法滿足工作控制系統(tǒng)發(fā)展的需要。
7。工作頻率帶寬：在0-100 kHz頻率范圍內(nèi)精度為1%。在0~5 kHz頻率范圍內(nèi)，精度為0.5%。
測量范圍：霍爾傳感器模塊為系統(tǒng)產(chǎn)品，電流測量可達(dá)50 KA，電壓測量可達(dá)6400 V。
9.強(qiáng)過載能力：當(dāng)初級電流過載時(shí)，模塊飽和并可自動保護(hù)。即使過載電流是額定值的20倍，模塊也不會損壞。
10。該模塊體積小、重量輕、安裝方便。它不會在系統(tǒng)中造成任何損失。
11、模塊的一級和二級之間的電容非常弱。在許多應(yīng)用中，通常可以忽略公共模式電壓的各種影響。當(dāng)達(dá)到幾千伏/秒的高壓變化時(shí)，模塊有自己的屏蔽效果。
12。該模塊的高靈敏度使其能夠區(qū)分高分量上的微弱信號，例如幾百安培的直流分量上的幾毫安的交流分量。
13，高可靠性：故障率：=0.43≤10-6/h
14.對外部磁場干擾的強(qiáng)抵抗力：由模塊5-10cm處工作電流（2Ip）兩倍的電流產(chǎn)生的磁場干擾引起的誤差小于0.5％。對于大多數(shù)應(yīng)用，外部磁場是耐受的。干擾是足夠的，但應(yīng)采取適當(dāng)措施干擾非常強(qiáng)的磁場。
磁阻傳感器基于磁阻效應(yīng)原理。磁阻傳感器的核心部件是一塊特殊的金屬材料。其電阻隨外磁場的變化而變化。物體的變化或狀態(tài)是通過外部磁場的變化來測量的。磁阻傳感器具有精度高、靈敏度高、分辨率高、穩(wěn)定性和可靠性好、非接觸測量、溫度范圍寬等特點(diǎn)。它可用于動態(tài)和靜態(tài)測量。廣泛應(yīng)用于低磁場測量、角度和位置測量。
磁阻傳感器特點(diǎn)：
1.高靈敏度，輸出信號幅度大，與轉(zhuǎn)速無關(guān)
2。體積小，結(jié)構(gòu)簡單，金屬盒包裝，耐油粉塵。
3。優(yōu)良的頻率特性，能檢測出靜態(tài)的速度。
4. 內(nèi)偏置磁鋼
5. 抗電磁干擾能力強(qiáng)